Es scheint, dass keine Woche vergeht, in der nicht mehr bekannt ist, wie Drohnen unser Leben so viel einfacher machen oder was sie jetzt tun können, um uns zu unterhalten. Zuletzt wurde berichtet, dass die Fluggeräte auf einem Golfplatz in North Dakota Lebensmittel an Golfer liefern und als Ersatztänzer bei Drakes Shows eingesetzt werden.
Aber weit weg von den Back-Nine- und Konzertbühnen machen autonome Flugzeuge ernsthafte Geschäfte, von der Rettung von Menschenleben bei Hurrikanen bis hin zur Unterstützung alternder Landwirte. Und wenn ein Forschungsprojekt der Rice University verwirklicht wird, könnte eines Tages ein Schwarm Drohnen zusammenarbeiten, um giftige Gase in der Atmosphäre zu erkennen und einen sicheren Umkreis zu bestimmen.
Dank eines kürzlich gewährten Zuschusses der National Science Foundation in Höhe von 1, 5 Millionen US-Dollar werden sich die Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit dem Baylor College für Medizin und Technologie für alle, einer gemeinnützigen Organisation in Houston, darauf konzentrieren, Drohnen die Intelligenz zu geben, um herauszufinden, wo sich nach Explosionen oder Lecks gefährliche Verschmutzungen ausgebreitet haben insbesondere nach extremen Wetterereignissen.
Edward Knightly, der für die Forschung zuständige Elektro- und Computertechniker, stellte fest, dass eine solche Katastrophe nach dem Hurrikan Harvey im vergangenen Jahr nicht weit entfernt eintrat, als die Ersthelfer durch ein Gasleck aus einer Chemiefabrik in der Nähe von Houston krank wurden.
"Die Ersthelfer haben einen Umkreis von zweieinhalb Kilometern eingerichtet, um die Anwohner zu warnen", sagt er. „Aber diese Ersthelfer wurden selbst ins Krankenhaus eingeliefert. Der Umkreis war zu nahe an der Quelle, aber das wussten sie nicht. Niemand wusste.
„Und das ist ein großartiges Beispiel dafür, wo wir Drohnen aus sicherer Entfernung einsenden können, und sie können herausfinden, wo eine sichere Grenze liegt, wie der Wind wirkt und ob chemische Reaktionen in der Luft stattgefunden haben. Das Finden und Setzen der richtigen Grenzen ist eine komplexe Entscheidung, und wir sind der Meinung, dass Drohnen eine große Hilfe bei dieser Entscheidung sein können. “
Klein denken
Drohnen die Möglichkeit zu geben, flüchtige Gase in Echtzeit zu identifizieren, bringt jedoch einige große Herausforderungen mit sich. Können effektive Sensoren auf eine Größe und ein Gewicht verkleinert werden, die auf eine Drohne passen? Das Team arbeitet mit Frank Tittel, emeritierter Professor bei Rice und Pionier in der Verwendung von Lasern zur Erkennung der Signaturen von Molekülen.
"Wir müssen die Sensoren auf eineinhalb Kilogramm oder weniger verkleinern", sagt Knightly. „Er hat Methoden entwickelt, mit denen Laser Gaskonzentrationen für eine Vielzahl von Gasen erfassen können. Typischerweise entwirft er Systeme für den Einsatz am Boden. Er musste sich nie mit der Entwicklung von Sensoren befassen, die diese Einschränkungen in Bezug auf Masse oder Größe erfüllen. “
Ein Großteil des Projektfokus lag auf der Verbesserung der Intelligenz der Drohnenflotte ASTRO. Während der Schwerpunkt in Zukunft auf den Gassensoren liegen wird, hat ASTRO ein breiteres Lernspektrum. Ziel war es, ein System zu entwickeln, in dem die Drohnen ohne menschliches Eingreifen zusammenarbeiten können, um Objekte zu finden.
Knightly erklärt, dass das Team seine Flotte von vier Drohnen darauf trainiert hat, ein drahtloses Gerät aufzuspüren, darunter eines auf einem fahrenden Golfwagen. Und es geschieht „off-the-Grid“, ohne dass ein Mensch vor Ort die Dinge mit einer Fernbedienung steuert.
„Wir möchten, dass das Drohnennetz nicht nur untereinander fliegen kann, sondern auch, wenn keine Luft-Boden-Kommunikation verfügbar ist“, sagt er. "Wenn extremes Wetter und schlechte Infrastruktur herrschen, möchten wir weiterhin Drohnen abschicken können, um Informationen über einen Gefahrenbereich zu sammeln."
Bevor sie irgendetwas verfolgen, nutzen die Drohnen ihre künstliche Intelligenz, um etwas über ihre Umgebung zu lernen. Knightly nennt dies die „Such- und Lernphase“. Die Drohnen beginnen ihre Missionen, indem sie sich zunächst ausbreiten, um buchstäblich ein Stück Land zu erhalten. Sie kommunizieren die ganze Zeit miteinander, damit sie sich nicht in einem Bereich zusammenballen.
„Bevor sie beispielsweise ein drahtloses Gerät lokalisieren und verfolgen können, müssen sie die Umgebung kennenlernen“, sagt Knightly. „Gibt es viele Bäume? Hohe Gebäude? Oder sind es weite Freiflächen? Das Ziel ist es, die Umgebung zu lernen, damit sie genau verfolgen können. “
Schwarm und Spur
Dann gehen sie zur zweiten Phase über, die treffend als „Schwarm und Spur“ bezeichnet wird. Wenn das Zielobjekt ein drahtloses Gerät ist, haben sie wiederum herausgefunden, wo sein Signal am stärksten ist und wo die Drohnen als Schwarm zusammenkommen . Im Falle eines gefährlichen Ereignisses kann es sein, dass ein Gasmesswert am stärksten ist.
"Sie stellen fest, dass dies das ist, was wir messen sollten. Lassen Sie uns also hochauflösende Daten sammeln", sagt Knightly.
"Natürlich haben Gase alle ihre eigenen spektralen Signaturen", fügt er hinzu. „Wenn die Drohnen ausgehen, wird es eine Mischung aus verschiedenen Gasen geben. Es wird kein klares Signal von nur einem sein. Wir brauchen die Drohnen, um etwas über die Umwelt zu lernen, sie mit den von uns entwickelten statistischen Grundmodellen zu vergleichen und dann in der Lage zu sein, die Quellen gefährlicher Emissionen und die Grenzen ihrer Ausbreitung zu identifizieren. “
Luca Mottola, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Elektronik, Information und Bioingenieurwesen der Polytechnischen Universität Mailand, ist der Ansicht, dass dies ein "paradigmatisches Beispiel" dafür ist, wann Drohnen effektiver sein können als jede andere Technologie.
"Die Fähigkeit, sich ungehindert fortzubewegen und gleichzeitig reichhaltige Sensornutzlasten zu transportieren, verleiht ihnen ein einzigartiges Spektrum an Fähigkeiten", sagt Mottola, ein führender Experte für drahtlose und Drohnen-Sensornetzwerke. "Die derzeit verfügbare Technologie zur Bewältigung ähnlicher Szenarien beruht in hohem Maße auf menschlichen Eingriffen und ist daher viel langsamer und fehleranfälliger.
"Die Auswirkungen des Einsatzes von Drohnen-Technologie sind daher vielfältig. Eine schnellere Reaktion kann zu einem verbesserten Schutz von Vermögenswerten, einer Begrenzung der Beschädigung von Strukturen und einer Verbesserung der Auswirkungen auf das Leben von Menschen führen."
Die Reisforscher hoffen, ihre Gassensor-Drohnen irgendwann an einem idealen Ort in der Nähe testen zu können - dem Houston Ship Channel mit seinen zahlreichen chemischen Raffinerien und industriellen Verarbeitungsanlagen. Im weiteren Projektverlauf könnte die Flotte auf bis zu zehn Drohnen erweitert werden.
Das Team hat auch eine mobile App entwickelt, mit der die Ergebnisse des Drohnensensors verwendet werden können, um Luftqualitätswarnungen in Echtzeit an die Telefone der Anwohner zu senden.
"Wir würden Ärzte hinzuziehen, um Schwellenwerte für eine Gemeinde festzulegen", sagt Knightly. „Wann ist ein typischer Tag? Und wann ist es an der Zeit, Schutz zu suchen? “
